热红外回波：揭示垂死恒星最后的气息
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热红外回波：揭示垂死恒星最后的气息
Jenny Bloom 2025年4月24日 星期四
本博文由位于马里兰州格林贝尔特的NASA戈达德太空飞行中心荣誉退休研究员、位于马萨诸塞州剑桥市的哈佛-史密松森天体物理中心研究员Eli Dwek撰写。这是我们IDL® Fellows计划系列博文的第五篇。该计划旨在支持充满激情的已退休IDL用户，他们可能需要支持来继续使用IDL进行工作——IDL是一种广泛用于天文学、遥感和医学成像领域的数据分析、可视化和图像处理的科学编程语言。IDL背后是持续的创新，而该计划是我们了解人们日常使用它的创新方式的众多途径之一。如果您已退休并有兴趣成为IDL研究员，并通过博文分享您的研究，请随时联系我，看看您是否符合该计划的条件。
在仙后座中，一颗大质量恒星爆炸的残骸，即所谓的Cas A，形成了一个炽热、膨胀的气体云，其中隐藏着大约11，000年前发生的一次超新星事件的秘密。通过分析碎片的膨胀速度并将其碎片追踪到一个共同的起源，天文学家估计这次爆炸可见残骸的年龄约为360年。
英国天文学家约翰·弗兰斯蒂德可能在1680年无意中观测到了这一事件，他记录下了Cas A方向上的一颗暗星，而今天这颗星已不复存在。虽然弗兰斯蒂德观测的确切细节与Cas A推断的年龄和位置并不完全吻合，但他的观测可能代表了这次爆炸转瞬即逝的余晖。
超新星——大质量恒星灾难性的死亡——标志着其平静演化的终结。在铁和钛同位素放射性衰变的驱动下，爆炸的余晖可以持续数年。一个典型的星系在一个世纪内会有几次超新星事件。
借助现代望远镜和卫星，天文学家可以在邻近星系中探测到几十次超新星事件。然而，超新星最剧烈的阶段，即突破恒星表面的激波，发生在不到一天的时间内（一颗恒星的寿命大约为一百亿天——这只是其寿命中极其微小的一部分），这使得捕捉到它变得异常罕见。幸运的是，大自然给了我们另一个机会，见证了Cas A恒星被摧毁的确切时刻。
幸运的是，Cas A的前身星留下了一个持久的印记：强烈的辐射闪光照亮了附近的星际尘埃，使其温度升至约100开尔文（约华氏零下300度），从而产生了在温度较低的30开尔文尘埃背景下脱颖而出的热回波。利用IDL图像处理程序，天文学家将NASA斯皮策太空望远镜的红外数据转换成了Cas A周围区域的图像，揭示了这些回波，即垂死恒星最后的气息。
绘制Cas A的红外回波图
图 1. 绘制Cas A的红外回波图
这幅24微米红外图像展示了围绕Cas A超新星遗迹的六个瞬态热点，大约拍摄于20年前。图像右下角四分之一区域的亮白色区域代表了膨胀碎片与其周围介质相互作用被加热而产生的红外辐射。用矩形框突出显示的回波6在右上角的插图中显示得更详细，插图中还描绘了望远镜上狭缝的位置。
这些热点被称为热光回波，当超新星的辐射被周围尘埃吸收并重新发射时就会产生。这种重发射光的延迟到达使观测者能够追踪爆炸的演化和周围环境的形态。
回波的几何学
图 2. 回波的几何学
从光源S发出的一束光脉冲直接传播到观测者O处，最先到达。同一个脉冲也被光源周围的离散尘埃云吸收并作为红外辐射重新发射，形成热点，由于传播路径更长，这些热点稍晚才到达观测者。
所有具有相同时间延迟的点都位于一个以S和O为焦点的椭圆（橙色）上。例如，通过A1点到达O的光，其延迟时间为光从S传播到A1再返回S所需的时间。同样，来自B1和C1的光与A1具有相同的延迟时间，这意味着观测者会同时看到来自A1、B1和C1的发射。
随着光脉冲向外扩展，它会照亮新的尘埃区域，在更新的椭圆（用粉色描绘）上产生新的热点（B2和C2）。当比较不同时间拍摄的图像时，这些热点看起来像是在天空中移动。这种天空图像中的变化性是红外回波的另一个标志。
为清晰起见，图2未按比例绘制。S和O之间的实际距离大约是S到A1距离的40倍。图3提供了光源周围区域的特写视图，展示了膨胀的光脉冲如何依次照亮尘埃云，从而产生了图1中所见的热点。每个热点的距离由其距光源的投影距离以及它必须位于对应正确时间延迟的椭圆上这一要求来确定。
确定辐射脉冲的特性
图 3. 确定辐射脉冲的特性
图1中所示的热点位于距光源S的确定投影距离处。例如，距离d6代表回波6距光源的投影距离。回波还必须位于一个椭圆上，其中距离S-A1（图2）对应340年的延迟——即该路径光传播时间的两倍。这使得回波6与爆炸恒星的距离唯一确定，同样的方法也适用于所有其他回波。
通过已知光源的距离和周围尘埃的温度，可以确定将尘埃加热到所需温度所需的脉冲强度。计算得出的脉冲强度比太阳亮一千亿倍，持续时间仅数小时——这是激波爆发的明确特征。
利用尘埃温度100开尔文以及测得的与爆炸点的距离，有助于重建摧毁恒星的闪光温度和强度。脉冲的大部分辐射由紫外线和X射线光子组成，仅有爆炸动能的百分之几转化为高能辐射。根据这种转化率，脉冲持续时间不可能超过一天。脉冲的强度和持续时间为了解爆炸恒星的质量和密度结构，以及爆炸的总能量提供了关键线索。
构建星际介质的3D地图
图 4. 构建星际介质的3D地图
一幅IDL动画（图4）是通过将五年期间（2003-2008年）对Cas A周围区域进行的九次连续观测图像合并而创建的。热点在天空中明显的运动使得天文学家能够构建周围星际尘埃和气体的三维地图，类似于CT扫描揭示人体内部结构的方式。
动画中展示的对Cas A的重复观测，显示了这些热点位置的演变。这个持续进行的项目现已借助NASA的詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）得到了扩展。JWST的初步结果已经揭示了更多的热点，帮助天文学家进一步完善超新星遗迹周围介质的三维结构，并对爆炸恒星的特性施加更严格的限制。
致谢：本项工作利用了NV5强大的IDL图像处理程序，将NASA斯皮策太空望远镜的红外数据转换为Cas A遗迹的详细图像。图1展示了根据这些数据生成的24微米图像。图4中展示的动画是通过将不同时期拍摄的图像叠加成GIF文件而制作的。
用于说明基础计算的图2和图3，是由IDL绘图程序生成的。
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